摘 要

管壳式换热器因其单位体积内能够提供较大的传热面积，传热效果比较好，且适应性较强，制造维护简单，因此是生产上应用最广泛的换热设备。本文采用Fluent软件对管壳式换热器的管束排布方式及工作边界条件进行了数值模拟，探究了顺排及叉排，进口温度和质量流率对换热器流动和换热的影响。主要工作如下：

（1）利用Fluent对顺排管壳式换热器的流动与传热特性进行了数值研究，探究了进口温度以及入口流速对换热器内部流动与传热规律的影响。

（2）利用Fluent对叉排管壳式换热器的流动与传热特性进行了数值研究，探究了进口温度以及入口流速对换热器内部流动与传热规律的影响。

（3）利用Fluent计算不同边界条件下两种排布方式的换热器壁面上的努塞尔数以及换热器中部分点的升力系数和阻力系数，进而对比同条件下两种换热器的换热性能和稳定性。

关键词：管壳式换热器、顺排结构、叉排结构、横掠管束、数值模拟

Abstract

Tube shell heat exchanger is the most widely used heat exchanger in production because of its large heat transfer area per unit volume, good heat transfer effect, strong adaptability and simple manufacturing and maintenance .In this paper, Fluent software was used to conduct numerical simulation on tube bundle arrangement and working boundary conditions of shell and tube heat exchanger, and to explore the influence of in-line and cross-line, inlet temperature and mass flow rate on the flow and heat transfer of heat exchanger. The main work is as follows:

(1) Fluent was used to conduct a numerical study on the flow and heat transfer characteristics of the in-line tube-shell heat exchanger, and the influence of inlet temperature and mass flow rate on the flow and heat transfer rules inside the heat exchanger was explored.

(2) Fluent was used to conduct a numerical study on the flow and heat transfer characteristics of the forked tube-shell heat exchanger, and the influence of inlet temperature and mass flow rate on the flow and heat transfer rules inside the heat exchanger was explored.

(3) Fluent was used to calculate the Nusselt number on the wall of the heat exchanger with two different arrangement modes under different boundary conditions, as well as the lift coefficient and resistance coefficient at the middle point of the heat exchanger, so as to compare the heat transfer performance and stability of the two heat exchangers under the same condition.

Key words: tube shell heat exchanger, parallel row structure, cross row structure, transverse sweep tube bundle, numerical simulation

目录

摘要 i

Abstract ii

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外的发展研究现状 3

1.2.1 国内发展研究现状 3

1.2.2 国外发展研究现状 4

1.3 本文主要研究内容 6

第2章 管壳式换热器流动换热理论基础 7

2.1管壳式换热器换热机理分析 7

2.1.1 强化对流换热理论概述 7

2.1.2 管壳式换热器换热机理阐述 8

2.2 数值方法介绍 9

第3章 顺排结构管壳式换热器流动换热特性分析 10

3.1 几何模型构建 10

3.2 网格划分 11

3.3 网格无关性验证 12

3.4 控制参数设置 13

3.5时均流动与换热特性分析 14

3.5.1 不同进口速度对换热性能的影响 14

3.5.2 不同进口温度对换热性能的影响 19

3.6 瞬态流动与换热特性分析 24

3.6.1 表面换热系数和努塞尔数随时间变化关系 24

3.6.2升力系数与阻力系数随时间变化关系 28

3.7 与实验结果的对比验证 32

3.8 本章小结 33

第4章 叉排结构管壳式换热器流动与传热研究 34

4.1 几何模型构建 34

4.2 网格划分 35

4.3 网格无关性验证 37

4.4 控制参数设置 37

4.5 时均流动与换热特性分析 38

4.5.1不同进口温度对换热性能的影响 38

4.5.2 不同进口流速对换热性能的影响 43

4.6瞬时流动与换热特性分析 48

4.6.1 表面换热系数和努塞尔数随时间变化关系 48

4.6.2升力系数与阻力系数随时间变化关系 51

4.7顺叉排换热性能比较 56

4.8 本章小结 57

第5章 总结与展望 58

5.1总结 58

5.2展望 59

参考文献 60

致谢 64

第1章 绪论

1.1 研究背景

在化工行业及和核工业等行业中，常常需要给工质或者反应堆进行加热或者冷却。对于固态物质，其加温或者冷却的过程是通过热传导来实现的。对于流体工质，其加温或冷却的过程是通过对流或者辐射换热来实现的。在实际生产中，流体的换热通常是两到三种基本换热方式的组合，并且，流体的换热过程中一般要求不同或者同种但不同状态的流体不可以混合，因此，它们在换热的过程中需要被传热性能好的固体面隔离开，这种情况下，间壁式换热器应用而生。间壁式换热器的种类非常多，其中，管壳式换热器由于其结构紧凑，在单位体积中可以提供比较大的传热面积，在同体积的换热器中器传热效果比较好，并且其有较强的适应性，适用于多种工质的换热，同时其结构较为简单，易维护和清洗，因此在生产中其应用最为广泛。

管壳式换热器虽然应用广泛，普遍度较高，但是由于工作外部条件是变化的，且传热工况是不同的，同时其结构具有局限性，其换热工质的边界条件和物理性质是多变的，管壳式换热器常在实际生产中效率交为低下。由于流体工质在不同温度和压力下物性的变化较为剧烈，且具有不稳定性，因此在具体工况下，对管壳式换热器进行优化设计的手段非常有限。但随着研究的不断深入，对管壳式换热器的加工设计出现了许多新的加工工艺技术，例如，利用换热网络夹点技术^[1]，回收工艺过程中的余热，将余热进行反哺，以降低在换热过程中公用工程负荷的消耗等，这种技术在应用在目前的工艺生产中，取得了较好的换热效果。但是这种技术存在着弊端，回收余热使得其外部体积和内部构造变得更加庞大和复杂。由于深度回收热量致使传热网络传热温差大幅度下降，因此造成传热面积急剧增加。为了提高换热器的传热效率，研究新的强化传热技术势在必行。当前涉及面最广、研究最深的，当属对流强化传热技术。